基于智能井盖的物联网＋市政一体化系统

引 言

城市智慧化，已成为继工业化、信息化、电气化之后的第四次浪潮，建设智慧城市，是世界城市发展的前沿趋势。现如今，许多城市的雨水排水管道经常会出现堵塞现象，严重影响排水，致使道路频繁出现积水，给人们的生活和出行带来严重不便。另外，井盖被盗、损坏的现象近几年时有发生，并伴随有行人跌落下水道的现象出现。公路车流量过多，也影响到交通状况和人们的出行。对市政各方面的问题进行系统化管理是非常有必要的。同时在技术发展方面，随着无线传感器智能感知技术的进步和GPRS/3G 移动通信技术的飞速发展与部署以及宽带 Internet 的迅速普及，也为“智慧城市市政管理” 建设提供了坚实的技术基础。

1 系统功能

我们希望为城市管理者打造一款能够远程监测井盖状态、车流量，以及管道堵塞情况等信息，同时能够在出现问题时及时报警并做出更高效的处理方案的智能型市政管理平台。该产品还可以通过可视化的方式完成全部操作。

2 基本设计思路

2.1 水流状态监测

各个节点利用超声波模块检测水位高度，相邻节点间水位高度进行比较，从而判断是否发生堵塞（若相邻节点水位相差较大，可认为两结点间排水管道发生堵塞，通过高度差可以大致判断堵塞严重程度）。堵塞检测示意图如图 1 所示。

收集各个时刻的水位信息，生成水位高度变化曲线，当水位高度增加速度过快时，触发报警。

将模块放在靠近水井的涵洞顶端，排除地面不平整的影响。超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。当检测到相邻节点水位不同时，能够在上位机软件上突出显示， 从而更快地解决问题。

2.2 井盖姿态检测

利用陀螺仪模块检测井盖角度变化，从而判断井盖是否松动或者被无故开启，以实现防盗和检测松动功能。

MPU6050 具有角加速度和加速度检测功能，且精度非常高，可以检测到微小的角度变化，采用I2C 通信协议，操作简单。可将MPU6050 水平贴附于井盖，当井盖被开启时，模块检测出角度变化并返回信息。若井盖松动，当有人或车辆经过井盖时，井盖发生微小角度变化，通过判断MPU6050 返回的信息可以判断井盖是否松动。如井盖倾斜大于 30°则判断为抬起，角度在－ 5°～ 5°之间波动不断则判断为松动。

2.3 地表环境监控

监测地表温度和湿度，判断天气情况，并做出一定反馈。

2.3.1 湿度检测

将湿度传感器安装于井盖内侧边缘处，实时检测湿度状况并反馈给各节点的中央处理系统，当阴雨天气湿度较高或者路面积水通过井盖边缘渗入时，湿度超过特定值，中央处理系统做出响应，提高与主机的通信频率，反馈实时信息，有利于管理人员在紧急状况下掌握更多信息。

2.3.2 温度检测

将温度传感器固定在井盖下方，采集地表温度信息并上报，有利于市政部门掌握城市各处的温度状况，并对温度过高的地区采取降温措施（可利用上位机生成温度变化曲线，对未来温度进行预测）。

采用温度传感器LM35DZ，该芯片体积小巧，精确度较高，数据可以精确到小数点后两位，芯片可采用单总线通信方式， 操作简单。

2.4 车流量监测

在井盖上加装车辆检测模块，用于检测车流量，并反映给市政管理部门以作参考。

初步计划使用地磁传感器实现车流量监测功能。该模块可以精确地探测出周围的磁场情况，当附近有车辆经过时，会对地磁场产生干扰，模块检测到磁场发生变化，就可以判定有车辆经过。目前市场上该模块主要被用于车位检测中。该模块的主要优点如下：

(1) 体积小巧。模块可以方便地应用于产品中；

(2) 灵敏度高。模块对地球磁场的变化非常灵敏能检测到 3 ｍ以外的车辆移动；

(3) 超低功耗。模块平均工作电流低于 200μA，且工作电压可低至 2.0V，最大限度地延长电池使用寿命（两节 5 号南孚电池可工作 3个月以上，专业的大容量工业电池则可工作5 年以上，超大容量的电池甚至能工作 10 年以上或者由电池保质期决定）。

(4) 简单易用。模块提供了开关量接口和 UART 串口。开关量接口可供高低电平输出，高电平表示有车，低电平表示无车 ；UART串口提供定时状态报告、参数设置等功能。

2.5 数据传输

数据分级传输，小范围内采用ZigBee 组网传输信息，数据汇总后可用GPRS 网络传输到服务器，最终由上位机访问服务器获得数据。

2.5.1 ZigBee 部分

将相距较近的节点分为一组，将组内每个节点的信息汇总在一起。由于ZigBee 方便组网，传输过程中保密性强，且自带 16 位CRC 校验，传输数据可靠，故决定用其在组内传输信息。组内所有节点信息由一台与中央控制器（Beaglebone） 相连的ZigBee 接收，并由中央控制器进行统一处理。

2.5.2 GPRS部分

GPRS 部分用于将中央控制器（Beaglebone）处理后的信息发送到Internet。利用GPRS 传输数据主要有以下优势：

(1) GPRS信号覆盖范围广，可以保证所有数据都能顺利传输到互联网；

(2) 网速可达到每秒 20 K左右，足够传输数据；

(3) 与短信相比，利用 GPRS传输数据费用相对较低；

(4) 使用串口通信协议，操作简单。

2.5.3 服务器部分

考虑到GPRS 模块使用的IP 地址是随机分配的，用户也需要在IP 不同的设备上登录，难以直接将采集到的信息发送给用户的设备，故决定利用服务器平台作为数据的中转站。所有采集到的信息先通过GPRS 发送到服务器临时存储，用户使用上位机访问服务器获得数据。

2.6 中控

2.6.1 节点控制器

各个节点采用CC2530 作为控制器，用于协调控制温度、湿度传感器、超声波距离传感器、地磁传感器和陀螺仪等的工作，并将采集到的信息通过ZigBee 发送到该节点所在组的中央控制器。

CC2530 是理想的ZigBee 专用芯片，它具有两个 USART 控制器，21 个通用GPIO，两个定时器，8 K 的RAM，性能较高，足以协调控制各个模块。节点控制原理图如图 2 所示。

2.6.2 中央控制器

各个节点收集到的信息通过ZigBee 发送到与中央控制器相连的ZigBee 并由中央控制器进行统一处理，再通过GPRS发送到互联网。

由于中央控制器要处理的数据较多，需要性能强大的处理器，故决定采用Beaglebone 作为中央控制器。图 3 所示为中央处理器原理图。

2.7 智能控制界面

上位机从服务器平台获取数据，以可视化形式展现给用户。通过可视化界面，用户可以直观地了解各个节点间的位置关系，方便地获取各节点的水位、温度、湿度、井盖状态、车流量等信息，当出现各种异常状况如发生堵塞、水位上升较快、井盖状态异常则及时向用户反馈状态和位置等信息。

上位机借用百度地图提供的 API 将被监视区域的地图 显示在网页中，各节点则被标记在地图上，一目了然。运用 python 语言的 django 架构以及 html，js 等语言，将各节点收 集的数据在网页中以图表的形式呈现出来，点击标记即可查看。 同时，报警功能可将问题及时通知使用者

3 整体框图

该系统的整体框图如图 4 所示，并最终实现以下功能 ：

（1）盗窃报警，使用网络通知市政部门及时解决井盖缺 失问题。

（2）松动报警，排除井盖损坏造成的行人安全隐患。

（3）管道堵塞报警，在可视化界面显示堵塞处，协助清 洁部门及时清理，排除隐患，防止城市内涝的发生。

（4）检测地面温度并传回数据。

（5）检测水位并传回数据。

（6）检测地面湿度，并在湿度增加时提高传输频率，有 助于大雨预警。

（7）车流量检测，实时传回数据，协助交通管理。

（8）可视化界面显示传回的数据，并进行相应处理与分类， 为市政部门提供方便的操作环境。

（9）建立数据库，将传回的数据储存，方便调用和分析。

4 结 语

本系统旨在为城市打造一款智能型市政管理平台。为市 民提供更加便利和安全的生活。把井盖作为一个区域汇聚节 点，集中传输和智能处理采集的数据是本项目的一大创新点， 对排水、交通、道路安全等市政信息统筹兼顾，建设智慧城 市是本项目的一大亮点。虽然现在供电和天线方面还存在些问 题，但是这些问题对于工程师来说不难解决，可以为人们的 安全和生活质量提供更多的保障。